1、河南科技學院機電學院（空行）（全文行間距采用20磅值，正文采用小四號） 基于單片機的鍋爐液位控制系統的設計（小三黑體）（空行）（鶴壁職業技術學機電工程學院12數控 高改會）（空行）摘要（黑體四號、加黑）：介紹了用單片機進行鍋爐液位控制的工作原理、硬件設計和軟件設計。裝置主要由80C51、四片電位器式傳感器、逐次逼近式A/D轉換器ADC0809、雙向可控硅驅動電路MOC3041和雙向可控硅TLC336A等組成；能夠可靠地完成鍋爐液位自動控制。關鍵詞（黑體四號、加黑）：液位 傳感器 單片機 可控硅驅動電路（空行）Abstract: In this paper, the principles and

2、 design of hardware and software of controlling automatically liquid level of boiler by the Single-Chip Microcomputer 80C51 are described. It chiefly consists of the Single-Chip Microcomputer 80C51, four pieces of electric potential trasducer, analog/digital converter of successive approach, two-way

3、 SCR TLC336A and two-way SCR drive circuit MOC3041.This apparatus can accomplish reliably the controlling automatically liquid level of boiler.Key word: Liquid Leveltrasducer Single-ChipMicrocomputer SCR(Silicon Control Rectifier)SCR drive circuit1引言（一級標題：黑體四號、加黑；段前1行，段后1行，以下同此）鍋爐液位控制的穩定與否，是關系到生產安全的

4、重要因素之一。液位太高，易使供出的蒸汽帶水，高溫高速的蒸汽水珠會損壞后工段的工藝設備；而液位太低，有造成鍋爐燒干的危險。怎樣把鍋爐液位較好地穩定在一個波動較小的位置上，筆者認為這關系到鍋爐液位控制方案的選擇上。（正文均采用小四號）本文介紹的基于單片機的鍋爐液位控制系統設計，確保水位自動控制裝置可靠動作，能夠可靠地為用戶提供日用水，而且具有保護設備、自動化程度高、造價低等優點。國內外比較先進的控制方法是可編程控制器(簡稱PLC)，不僅造價高，且功能單一；而本系統結構緊湊、性能可靠、抗干擾能力強、運行效果良好，加之成本不高，非常適用于大量的工業和日用水的鍋爐供水，具有廣闊的市場前景。（全文行間距采

5、用20磅值，正文均采用小四號）2系統的工作原理 2.1系統組成（二級標題：黑體小四號、加黑，段前0.5行，段后0.5行，以下同此；若還有三級標題：黑體小四號、加黑，段前0.3，段后0.3，以下同此，）本裝置主要由80C51、四片電位器式傳感器、逐次逼近式A/D轉換器ADC0809、雙向可控硅驅動電路MOC3041和雙向可控硅TLC336A等組成。此外，還有鍵盤/顯示電路、報警輸出電路等。它們的原理方框圖如圖1所示。圖1 原理方框圖（圖表有時需按單倍行距處理；圖注應從圖1開始進行排序，且圖注采用五號字體；圖中字體采用小五號字體）2.2裝置說明本裝置主要設計液位控制，在鍋爐整個工作過程中，還有溫度

6、、壓力等需要，只需再安裝一個溫度傳感器和壓力傳感器即可，所以在此不再詳述。四片電位器式傳感器分別安裝在鍋爐的四個水位處（分別為低水位、高水位、極低水位、極高水位），來采集液位信號。2.3工作原理本裝置的功能是：當液位低至給定的液位時，啟動水泵對鍋爐進行加水，同時水泵正常工作指示燈亮，呈綠色，表明水泵正常工作；當液位高至給定的液位時，停止水泵對鍋爐進行加水，水泵正常工作指示燈不亮，表明水泵停止工作；一旦由于某種原因，液位低于低水位時，仍沒有啟動水泵進行加水，則達至極低水位時，再次啟動水泵進行加水，并進行報警；同理，達至極高水位，停止水泵進行加水，并進行報警；操作人員聽到報警，消除報警，急停鍋爐工

7、作，并對鍋爐進行維修；極高水位與極低水位對鍋爐起到了保護作用。它的工作原理是：首先，由電位器式傳感器每隔5秒鐘對水位進行采樣，并輸出05V模擬信號，再經A/D轉換變成相應的數字信號，送入80C51單片機進行數據處理。單片機經運算后，與設定的液位值（低液位H1、高液位H2、極低液位H3、極高液位H4）四值依次進行比較：若H1<Hx<H2，則表示正常液位，水位指示燈亮，呈綠色；若Hx=H1， 則表示達至低液位，啟動水泵供水，水泵工作指示燈亮，呈綠色； 若Hx=H2， 則表示達至高液位，停止水泵供水，水泵工作指示燈不亮；若Hx=H3， 則表示達至極低液位，啟動報警器報警；若Hx=H4，

8、則表示達至極高液位，啟動報警器報警；如果報警器啟動后，設有報警消除按鈕，消除報警；有手動和自動轉換按鈕；有急停按鈕，在任何情況下，可以停止鍋爐工作。3 硬件設計3.1硬件總體說明單片機系統的硬件電路圖，可參見圖2。圖2 系統電路圖本系統以80C51單片機為核心，它有4KEPROM，所以不需外擴EPROM，這樣可利用P1口作為按鍵輸入口，輸入口接有中斷式獨立式按鍵電路，向單片機輸入命令、功能切換，可以對單片機進行人工干預；另對串行輸入口P3.0擴展接口，使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號的接口，可以方便地擴展并行輸入口，這種方法不占用片外地址，簡單易行，便于操作適合于速度較慢、適時性要求不高的場合

9、，它是利用一片74LS165與80C51的3根端口線相連，可擴展8根并行輸入口線，在電位器式傳感器采集信號，A/D轉換器轉換信號后，將信號輸入到此接口，如圖3所示；圖3 串行輸出口擴展結構框圖由于輸出接口比較多，可擴展一片8255可編程接口芯片，利用指令設置各口的工作方式，8255內部有3個并行的8位I/O接口，分別為A口、B口、C口，8255是8位芯片，有8位數據線，數據線接于80C51的P0接口，可以用于實現8255與80C51之間的數據傳輸。需要注意一點，使用8255芯片時，首先要對它初始化，也就是對8255的3個端口的工作方式預先設置。擴展口接有4位74LS164驅動顯示器，并有一個報

10、警器（用來極低水位、極高水位報警），和三個發光二極管指示燈（用來電源顯示、水泵上水顯示、水位顯示）；并行輸出口接有雙向可控硅驅動器電路，來控制電機啟停。3.2輸入通道設計該部分主要完成對液位信號的采集、轉換工作，分別由電位器式傳感器和A/D轉換器ADC0809完成。電位器式傳感器結構簡單，價格便宜，但缺點是精度不高，動態響應差，不宜作精密測量或快速變化量的測量；但用在此要求不太精密的場合，也有它非常大的優勢。A/D轉換器ADC0809，它是采用CMOS工藝制成的8位8通道逐次逼近式模數轉換器，可實現8路模擬信號的分時進行轉換，可用單一電源供電，此時模擬電壓輸入范圍為05伏，無需調零和滿刻度調整

11、；三態鎖存輸出，低功耗型。經過采集、轉換信號，將轉換器輸出的8位數字信號輸入到擴展的并行輸入口線。在過程控制和智能化儀表中通常是用微控制器進行適時控制和數據處理的，為實現人機對話，鍵盤是個必不可少的功能裝置，所以輸入通道接有獨立式按鍵電路，向單片機輸入數據、傳送命令、功能切換，可以對單片機進行人工干預；如圖2所示電路中的鍵盤電路，這是最簡單的鍵盤電路，各個鍵相互獨立，每個按鍵獨立地與一根數據輸入線相連接，其中兩路是中斷方式，任何一個按鍵按下時通過門電路都會向CPU申請中斷，在中斷服務程序中，讀入P1口的值，從而判斷是哪一個按鍵被按下；另外六路為查詢方式，在平時，所有的數據輸入線都通過上拉電阻被

12、連接成高電平，當任何一個按鍵被按下時與之連接的數據輸入線將被拉成低電平，要判斷是否有鍵被按下，只要用位處理指令即可。對按鍵是否被按下，需采用軟件消抖的辦法，以消除按鍵在閉合和斷開瞬間所伴隨有一連串抖動所帶來的不利影響。這種鍵盤的優點是結構簡單、使用方便，但隨著鍵數增加所占用的I/O口線增加。在使用鍵數不多的單片機系統中，使用這種鍵盤非常方便。3.3輸出通道設計在輸出通道中，有顯示電路、報警輸出電路，驅動電路等，但最重要的是控制水泵啟停的雙向可控硅驅動電路，我們著重介紹雙向可控硅驅動電路MOC3041電路。過去，在我們設計輸出控制通道時往往選用繼電器，但由于其噪聲大和機械性能方面的原因，現在已很

13、少見。隨之而來的是無觸點開關雙向可控硅的使用，但在實際設計工作中，需要采用同步過零觸發電路進行同步觸發。由于這部分電路包括比較器、單穩態電路和光電隔離器等器件，芯片多，結構較復雜，在實際應用中容易出故障，給用戶帶來很多不便。在設計當中，我們充分總結了過去的經驗和教訓，在原有電路的基礎上采納了MOTOROLA公司推出的單片集成可控硅驅動器MOC3041，從而順利地解決了這一問題。MOC3041芯片是一種集成的帶有光耦的雙向可控硅驅動電路。它內部集成了發光二極管、雙向可控硅和過零觸發電路等器件，它的內部結構和外部引腳如圖4所示。 圖4 MOC3041內部結構和外部引腳從圖中可以看出，它由輸入和輸出

14、兩部分組成。輸入部分是一個砷化鎵發光二極管，在515mA正向電流的作用下，發出足夠強度的紅外光，去觸發輸出部分。輸出部分包括一個硅光敏雙向可控硅和過零觸發器。在紅外線的作用下，雙向可控硅可雙向導通，與過零觸發器一起輸出同步觸發脈沖，去控制執行機構外部的雙向可控硅。由MOC3041組成的過零觸發雙向可控硅電路簡單可靠，電路如圖5所示。圖5 由MOC3041構成的輸出通道圖其中：R1：限流電阻，控制LED的觸發電流；Rg：門極電阻，提高控制極的抗干擾能力；R：控制回路限流電阻，保護3041中的雙向可控硅；Cp：構成吸收回路，承受反向電壓。該部分的工作過程是：當單片機的P3.l輸出為低電平時，304

15、1內部導通，G端出現同步觸發脈沖，控制可控硅導通，打開水泵；當P3.1為高電平時，3041內部截止，可控硅斷開，關閉水泵；4軟件設計4.1工作流程本裝置的軟件包括主程序、液位設定子程序以及有關8255芯片的程序(初始化子程序、寫程序和讀程序)，鍵盤設定子程序，報警輸出子程序等。這里主要介紹主程序，工作流程如圖6所示。主程序完成的功能是：啟動傳感器采集信號，輸入轉換器進行轉換，輸入單片機進行數據處理，將處理結果與給定值比較，比較結果進入輸出通道：若Hx=H1，則表示達至低液位，置P3.1為低電平，可控硅導通，啟動水泵供水；此時，進入供水階段。在該過程中繼續對液位進行監測。當Hx=H2，則表示達至

16、高液位，置P3.1為高電平，斷開可控硅，停止水泵供水。等待下一次的啟動命令。4.2程序設計本控制系統程序見附錄。圖6 主程序流程圖5結束語經過兩年來的應用和改進，目前該裝置運行可靠，效果良好。它的特點是：·實時顯示液位所處位置，水泵、電源等工作狀態；·以智能化控制對鍋爐液位進行控制，在Hx=H1時，啟動水泵供水；到Hx=H2，自動停止水泵供水；·可采用PID算法和開關控制等方法進行控制；·可隨時通過按鍵修改低水位與高水位；通過報警器件輸出報警。參考文獻1高鋒. 單片微型計算機原理與接口技術. 北京：科學出版社，20032鄭風翼. 電工儀表與測量. 北京：

17、人民郵電出版社，19993房小翠,王金鳳. 單片機實用系統設計技術. 北京：國防工業出版社，19994肖洪兵，李朝暉，吳新峰等. 單片機控制的自來水節能加熱裝置. 自動化博覽，1999，3：20225解宏基，任光. 一種多功能變頻恒壓供水單片機控制系統. 自動化博覽，1999，6：10126尹明，閆可銀. 鍋爐補水控制系統的研制. 高師理科學刊，2003，3：15177張津，陳惠明，張文建等. 8098單片機控制的自動加氨裝置. 電測與儀表，1994，2：29318王化祥，張淑英. 傳感器原理及應用. 天津：天津大學出版社，2004謝 詞經過了兩個多月的努力，終于完成了畢業設計。在這次畢業設計

18、中，感謝院系領導給我們創造良好的環境和機會，讓我們能夠將所學得的知識學以所用；更感謝這次設計的指導老師劉法治的不倦教導和大力幫助，也感謝我的同學對我的幫助，讓我順利完成畢業設計。通過這次設計也使我了解和學得了許多專業的前沿知識，最終得以圓滿地完成了畢業設計任務，在此表示最衷心的感謝！ - 14 -附錄：（另起一頁）參考程序清單DIR顯示子程序清單如下：DIR：MOV R0，#7EH ；顯示緩沖區末地址R0MOV R2，#01HMOV A，R2DIR1：MOV DPTR，#7F01H；8255PB口地址DPTRMOV DPTR, AINC DPTR ；數據指針指向8255PC口 MOV A,R0

19、 ；取顯示數據ADD A,#0DH ；加上偏移量MOVC A,A+PC ；取出字型碼MOVX DPTR,A ；送出顯示ACALL YS11 ; 調出延時子程序DEC R0 ；數據緩沖區地址減1MOV A, R2 JB ACC.5,LD1 ；掃描到最左邊的顯示器嗎？ RL A ；沒有到，左移一位MOV R2, AAJMP DIR1LD1: RETDB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DHDB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CHDB 39H, 5EH, 79H, 71H, 73H, 3EHDB 31H, 6EH, 1CH, 23H, 40H, 03HDB

20、18H, 00H, 00H, 00H, YS11: MOV R7,#02H ；延時1ms子程序YS: MOV R6, #0FFHYS1: DJNZ R6, DL1DJNZ R7, DLRET鍵盤掃描子程序清單：KD1: MOV A, #00000011HMOV DPTR, #7F00HMOVX DPTR, AKEY1: ACALL KS1JNZ LK1ACALL DISAJMP KEY1LK1: ACALL DISACALL DISACALL KS1JNZ LK2ACALL DISAJMP KEY1LK2: MOV R2, #0FEHMOV R4, #00HLK4: MOV DPTR, #7F

21、01HMOV A, R2MOVX DPTR, AINC DPTR INC DPTRMOVX A, DPTRJB ACC.0, LONEMOV A, #00HAJMP LKPLONE: JB ACC.1, LTWO MOV A, #08H AJMP LKPLTWO: JB ACC.2, LTHR MOV A, #10H AJMP LKPLTHR: JB ACC.3, NEXT MOV A, #18HLKP: ADD A, R4 PUSH ACCLK3: ACALL DIS ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC RETNEXT: INC R4 MOV A, R2 JNB ACC.7,

22、 KND RL A MOV R2, A AJMP LK4KND: AJMP KEY1KS1: MOV DPTR, #7F01H MOV A, #00H MOVX DPTR, A INC DPTR INC DPTR MOVX A, DPTR CPL A ANL A, #0FHRET報警子程序：ORG 4000HALARM:MOV DPTR,#SAMP;采樣存放首地址MOVX A,DPTRMOV20H,#00H;清“0”報警標志單元ALAPM0: CJNEA,30H,AA ;水位>上限嗎？ALARM1: CJNEA,31H,BB ; 水位<上限嗎？DONZ: MOVA,#00HCJNEA,20H,FF ;有報警應轉FFSETB 05H ;若無報警，05H置“1”，置綠燈標志MOVA,20H;MOVP1,A ;置綠燈亮RETFF:SETB07H ;置電笛標志位MOVA,20HMOVP1,A ;輸出報警RETAA:JNC AOU